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Título: Equações diferenciais, uma comparação entre regiões de estabilidade obtidas pelo metodo dos multiplicadores invariantes e pelo Teorema de Krasovskii
Título(s) alternativo(s): Differential equations, a comparison between stability regions obtained by the method of invariant multipliers and by Krasovskii’s Theorem
Autor(es): Isoppo, Rafael Flores
Orientador(es): Suárez, Fredy Maglorio Sobrado
Palavras-chave: Sistemas não-lineares
Estabilidade
Funções de Lyapunov
Equações diferenciais
Nonlinear systems
Stability
Lyapunov functions
Differential equations
Data do documento: 2-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: ISOPPO, Rafael Flores. Equações diferenciais, uma comparação entre regiões de estabilidade obtidas pelo metodo dos multiplicadores invariantes e pelo Teorema de Krasovskii. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Matemática) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.
Resumo: A teoria da estabilidade de Lyapunov é uma ferramenta fundamental na análise qualitativa de sistemas dinâmicos não lineares, permitindo determinar o comportamento de soluções em torno de pontos de equilíbrio sem a necessidade de resolução explícita das equações. Este trabalho tem como objetivo estudar e comparar dois métodos distintos para a construção de Funcionais de Lyapunov e análise de estabilidade: o Método dos Multiplicadores Invariantes e o Teorema de Krasovskii. A eficácia de cada abordagem é avaliada através da aplicação a três sistemas clássicos de relevância física e biológica: o Sistema Massa-Mola Amortecida com não linearidades, o Modelo de Predação de Lotka-Volterra e a Equação do Pêndulo Amortecido. Para os sistemas mecânicos, o Método dos Multiplicadores Invariantes demonstrou ser superior, permitindo a construção intuitiva de funcionais de energia que provam a estabilidade assintótica e, no caso do pêndulo invertido, a instabilidade. Em contrapartida, o Teorema de Krasovskii mostrou-se inconclusivo para estes sistemas devido à estrutura das suas matrizes Jacobianas, que resultam em menores principais nulos. No sistema conservativo de Lotka-Volterra, ambos os métodos falharam em demonstrar estabilidade assintótica, corroborando a natureza de centro do ponto de equilíbrio. Desta maneira, para este trabalho conclui-se que o Método dos Multiplicadores é mais robusto para sistemas físicos, enquanto o critério de Krasovskii apresenta restrições significativas que dificulta sua aplicabilidade. Embora seja necessário o teste em mais sistemas para uma conclusão mais geral.
Abstract: Lyapunov stability theory is a fundamental tool in the qualitative analysis of nonlinear dynamical systems, allowing for the determination of solution behavior near equilibrium points without explicitly solving the equations. This work aims to study and compare two distinct methods for constructing Lyapunov functionals and analyzing stability: the Method of Invariant Multipliers and Krasovskii’s Theorem. The effectiveness of each approach is evaluated by applying them to three classic systems of physical and biological relevance: the Nonlinear Damped Mass-Spring System, the Lotka-Volterra Predation Model, and the Damped Pendulum Equation. For the mechanical systems, the Method of Invariant Multipliers proved to be superior, enabling the intuitive construction of energy functionals that demonstrate asymptotic stability and, in the case of the inverted pendulum, instability. Conversely, Krasovskii’s Theorem proved inconclusive for these systems due to the structure of their Jacobian matrices, which result in null principal minors. In the conservative Lotka-Volterra system, both methods failed to demonstrate asymptotic stability, corroborating the center nature of the equilibrium point. In this academic work, it is concluded that the Method of Multipliers is more robust for physical systems, while Krasovskii’s criterion presents significant restrictions that limits their applicability. Although the studies of more systems are necessary for a better conclusion.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39483
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